硅光電池特性測試試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)把握硅光電池的工作原理2、學(xué)習(xí)把握硅光電池的根本特性3、把握硅光電池根本特性測試方法4、了解硅光電池的根本應(yīng)用二、試驗(yàn)內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試試驗(yàn)2、硅光電池開路電壓測試試驗(yàn)3、硅光電池光電特性測試試驗(yàn)4、硅光電池伏安特性測試試驗(yàn)5、硅光電池負(fù).載特性測試試驗(yàn)6、硅光電池時(shí)間響應(yīng)測試試驗(yàn)7、硅光電池光譜特性測試試驗(yàn)三、試驗(yàn)儀器1、光電探測綜合試驗(yàn)儀12、光通路組件13、硅光電池封裝組件14、光照度計(jì)15、2#迭插頭對〔紅色，50cm〕106、2#迭插頭對〔黑色，50cm〕107、三相電源線18、試驗(yàn)指導(dǎo)書19、20M示波器1四、試驗(yàn)原理1、硅光電池的根本構(gòu)造目前半導(dǎo)體光電探測器在數(shù)碼攝像﹑光通信﹑電池是半導(dǎo)體光電探測器的一個(gè)根本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進(jìn)一步領(lǐng)悟半導(dǎo)體PN﹑光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生氣理。零偏 反偏 圖4-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)1/134-1PN﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng)PNPNPN型材料這邊集中，N型材料中的電子向P型材料這邊集中，集中的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)消滅負(fù)電荷，N連續(xù)進(jìn)展，當(dāng)兩者到達(dá)平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向全都，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，勢壘減弱，使載流子集中運(yùn)動連續(xù)形成電流，此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?電流方向是PN。2、硅光電池的工作原理硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它被設(shè)計(jì)用于把入射到它外表的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的根本構(gòu)造如圖3，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于價(jià)帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過負(fù)載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖4-2.光電池構(gòu)造示意圖IIs

(ekT1)IeVpeV

式〔1〕中I為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為確定溫度，I為產(chǎn)生的光電流。從式s p中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0，流過PN結(jié)的電流I=I；當(dāng)光電池處于反偏時(shí)〔在p本試驗(yàn)中取=-5V，流過PN結(jié)的電流=II，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，光電池p sI與輸入光功率P有以下關(guān)系：

I RPp

p i(2)式(2)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波特長存在一截止波長，在長波特長要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg截止波長為λ=1.1μm，在短波特長也由于材料有較大吸取系數(shù)使R值很小。c3、硅光電池的根本特性短路電流SiO2膜硼集中層SiO2膜硼集中層P型電極IAIA電極a b4-3硅光電池短路電流測試如圖4-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如顯示不同的電流值。在不同的光照作用下，硅光電池短路時(shí)的電流值也不同，即為硅光電池的短路電流特性。開路電壓SiO2膜硼集中層 P型電極SiO2膜硼集中層 P型電極IVN型硅片PN結(jié)V電極a b圖4-4 硅光電池開路電壓測試4-4所示，不同的光照的作用下，電壓表如顯示不同的電壓值。在不同的光照作用下，硅光電池開路時(shí)的電壓也不同，即為硅光電池的開路電壓特性。光照特性如圖4-5所示即為硅光電池光生電流和光生電壓與光照度的特性曲線。在不同的偏壓的作用下，硅光電池的光照特性也有所不同。0.3 0.6m 開路電壓 Am 開路電壓 0.2 0./流電0.1生光

壓0.2 電生光00 2000 4000光照度/Lx4-5硅光電池的光照電流電壓特性伏安特性如圖4-6，在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)，測量當(dāng)負(fù)載肯定的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的4-6所示E1E2E1E2E3E4R1RL1RL2RL3R2電生〕μ光〔光生電壓〔mV〕圖4-6 硅光電池伏安特性檢測電路圖如以下圖4-7所示：VVA4-7硅光電池的伏安特性測試負(fù)載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖4-8所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較大而電壓較小。試驗(yàn)時(shí)可改變負(fù)載電阻RL的值來測定硅光電池的負(fù)載特性。4-8硅光電池負(fù)載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度〔光能量〕呈線性關(guān)RL，輸出電流IL隨照度〔光通量〕的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的狀況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負(fù)載特性曲線如圖11所示。5102.4K5102.4K10K照度E/lx4-9硅光電池光照與負(fù)載特性曲線光譜特性一般硅光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持肯定的條件下，硅光電池所產(chǎn)生光電流/電壓與入射光波長之間的關(guān)系。時(shí)間響應(yīng)特性表示時(shí)間響應(yīng)特性白方法主要有兩種，一種是脈沖特性法，另一種是幅頻特性法。1〕脈沖響應(yīng)光敏晶體管受調(diào)制光照耀時(shí)，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。削減負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個(gè)數(shù)量級。五、留意事項(xiàng)1、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1＿”是說明超過量程，應(yīng)更換為適宜量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。3、試驗(yàn)過程中，請勿同時(shí)撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成試驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。4、硅光電池的偏壓不要接反。六、試驗(yàn)步驟1、硅光電池短路電流特性測試4-104-10硅光電池短路電流特性測試組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極J與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！肮庹斩日{(diào)整”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，翻開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。BMS撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。4-10翻開電源順時(shí)針調(diào)整照度調(diào)整旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源?！睱x〕光生電流〔uA〕

0 100 200 300 400 500 600將“光照度調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針調(diào)整到最小值位置后關(guān)閉電源。上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，撤除全部連線。2、硅光電池開路電壓特性測試4-114-11硅光電池開路電壓特性測試組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極J與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！肮庹斩日{(diào)整”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，翻開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。BMS撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。4-11翻開電源順時(shí)針調(diào)整照度調(diào)整旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度〔Lx〕光生電壓〔mA〕

0 10 20 30 40 50 100200300400500600將“光照度調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針調(diào)整到最小值位置后關(guān)閉電源。上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，撤除全部連線。3、硅光電池光照特性126所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。轉(zhuǎn)變不同光照度的取值，重復(fù)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，并作出相應(yīng)硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性4-12圖4-12硅光電池伏安特性測試圖組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極J與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！肮庹斩日{(diào)整”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，翻開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。BMS撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。2V200uA檔，將“光照度調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針調(diào)整至最小值位置。按圖4-12R100500lx。記錄下此時(shí)的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；〔6〕關(guān)閉電源，將R100，200，510，750，1K，2K，5.1K，7.5K，10K重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。電阻 電阻 200電流電壓2K5.1K 7.5K 10K15K20K25K51K200K轉(zhuǎn)變光照度為100Lx、300Lx，重復(fù)上述步驟，將試驗(yàn)結(jié)果填入下表。100lx：電阻 電阻 200電流電壓2K5.1K 7.5K 10K15K20K25K51K200K300lx：電阻 電阻 200電流電壓2K5.1K 7.5K 10K15K20K25K51K200K依據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進(jìn)展分析。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，撤除全部連線。硅光電池負(fù)載特性測試試驗(yàn)組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極J與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連?！肮庹斩日{(diào)整”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，翻開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。BMS撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。2V200uA檔，將“光照度調(diào)整”旋鈕逆時(shí)針調(diào)整至最小值位置。4-12R取值為RL2=1000Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx表光照度〔lx〕電流〔μA〕電壓〔mV〕

0 100 200 300 400 500 600R510，1K，5.1K，10K重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。010020030001002003004005006000100200300400500600光照度〔lx〕光照度〔lx〕電流〔μA〕電壓〔mV〕R=1K光照度〔lx〕光照度〔lx〕電流〔μA〕電流〔μA〕電壓〔mV〕010001002003004005006000100200300400500600光照度〔lx〕光照度〔lx〕電流〔μA〕電壓〔mV〕R=10K光照度〔lx〕光照度〔lx〕電流〔μA〕電壓〔mV〕〔7〕依據(jù)上述試驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸上描繪出硅光電池的負(fù)載特性曲線,并進(jìn)展分析。6、硅光電池光譜特性測試當(dāng)不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本試驗(yàn)儀承受高亮度LED〔白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫〕作為光源，產(chǎn)生400～630nm光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)力量。定義為在波長的單位入射功率的照耀下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為()V()v P()

或()i

I()P()P()為波長為V()P()作用下I(則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本試驗(yàn)所承受的方法是基準(zhǔn)探測器法，在一樣光功率的輻射下，則有()UKU ff

()式中，Uf

為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值，Kf

(為基準(zhǔn)探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,Uf

取一樣值,則試驗(yàn)所測測試的響應(yīng)度大小由()Uf

()的大小確定.以下圖為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。1.210.80.60.40.200200 40060080010001200 14004-13基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線〔1〕組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極，將光源調(diào)制單元J4相連。“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2S1S，S，S，S5，S6，S7均撥下。將直流電源2正負(fù)極直接與電壓表相連，翻開電源，調(diào)整電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。4-11翻開電源，緩慢調(diào)整光照度調(diào)整電位器到最大，依次將S2，S3，S4，S5，S6，S7撥上后撥下，登記照度計(jì)讀數(shù)最小時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)E〔留意：請不要同時(shí)將兩個(gè)撥位開關(guān)撥上〕S2撥上，緩慢調(diào)整電位器直到照度計(jì)顯示為E，將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將S2重復(fù)操作步驟〔6〕，E下電壓表的讀數(shù)，填入下表。波長〔nm〕波長〔nm〕紅〔630〕橙〔605〕黃(585)綠〔520〕藍(lán)〔460〕紫〔400〕基準(zhǔn)響應(yīng)度電壓〔mV〕響應(yīng)度

0.65 0.61 0.56 0.42 0.25 0.06依據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù)，做出硅光電池的光譜特性曲線。7、硅光電池時(shí)間響應(yīng)特性測試組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連〔紅為正極，黑為負(fù)極J與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。BMS撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。4-12RL選擇RL=10K示波